石人溝鐵礦不同條件下切割井爆破一次成井孔網參數優化

任慶偉，李 勝, ，郭子林，杜英男，劉 偉

(1.河鋼集團礦業公司石人溝鐵礦， 河北 遵化市 064200；2.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山市 063009；3.河北省礦業開發與安全工程實驗室， 河北 唐山市 063009)

0 引 言

河鋼礦業石人溝鐵礦是我國大型露天轉地下開采的礦山，目前主要為地下開采。該礦屬于鐵硅質沉積建造變質鐵礦床，礦石自然類型為石英巖型磁鐵礦，礦體厚 10～50 m，傾角為 65°～75°，平均70°；圍巖為黑云角閃斜長片麻巖、含鐵斜長片麻巖、磁鐵石英巖及中基性巖脈，礦巖堅硬、穩固性好。根據礦體的開采技術條件，礦山采用的采礦方法為分段鑿巖階段礦房嗣后充填采礦法[1]。該方法分段高度為15 m，巷道規格為4.5 m×3.8 m，鑿巖設備為阿特拉斯 1354、1254采礦臺車，并在靠近上盤形成切割天井，通過切割平巷向上鉆鑿垂直炮孔進行擴槽，形成礦體開采的自由面和補償空間，最后采用中深孔落礦進行采礦。該方法切割井原采用76 mm+102 mm孔徑分段爆破一次成井技術。為減少采礦臺車設備故障，提高穿孔效率，通過開展研究，設計鉆頭直徑改為64 mm，切割井改為64 mm+ 102 mm孔徑后，原有孔網參數無法使切割井爆破一次成井，嚴重制約了礦山生產。因此對不同條件下切割井爆破一次成井孔網參數進行優化。

1 一次成井爆破參數計算原理

1.1 初始補償系數

空孔面積 S0與首爆裝藥孔所爆落巖碴的實體面積S1之比，稱為初始補償系數n。設計中要求初償空間能完全容納爆落的松散巖碴，而不發生擠死。從理論上分析，松散系數為1.4～1.6的礦巖，n為0.4～0.6，但實際中首爆裝藥孔爆破的巖碴拋至空孔的速度極大，槽腔容納巖碴完全不是處于靜態狀況，此時n值的設計要留有一定的余量。故對分段爆破天井，要求n≥0.7，對盲天井一次爆破成井除上述因素外，還要考慮一次爆破高度大小及孔底偏斜難以探測等因素，則要求n＞1.2。初始補償系數示意圖如圖1所示[1]。

圖1 初始補償系數示意圖

1.2 首爆裝藥孔與空孔中心的距離

合理的首爆裝藥孔與空孔中心的距離L，應避免兩孔在天井內鉆通，同時又應滿足初始補償系數n的要求，根據其他礦山的經驗，其按式（1）計算。其原理如圖2所示[2]。

式中，D為大空孔直徑，102 mm；d為裝藥孔直徑，64 mm；n為初始補償系數，取n≥0.7，但對盲天井一次爆破成井，則取n≥1.2；L為首爆裝藥孔與空孔中心距離，mm。

圖2 首爆裝藥孔與初始補償空間的距離

經計算，當n=0.7時，L=300 mm；當n=1.2時，L=150 mm。

1.3 炮孔間距

礦巖破碎后體積膨脹，需要補償空間容納，如圖3所示[3]，其關系滿足式（2）。

圖3 補償空間法示意圖

式中，S預爆巖體為預爆巖體的面積；S補償空間為空孔面積；K為巖石碎脹系數，在此取1.5。

根據式（2）可推導出裝藥孔與空孔的距離，如式（3）所示[4]。

式中，a為空孔與裝藥孔距離；d為裝藥孔直徑，64 mm；Φ為空孔直徑，102 mm。經計算，a≤229 mm。

為防止孔間貫通，a的值不能太小，需滿足式（4）：

式中，L為炮眼深度，取11 m；β為炮孔偏斜角度，取1°。經計算，a＞121 mm。

為滿足分段爆破天井對初始補償空間的需求，通過現場實踐經驗，選取L為200 mm。根據式（1）計算初始補償系數n=0.75＞0.7。

1.4 周邊孔孔網參數的確定

切割井抵抗線一般為1000 mm，但為保證良好的爆破成井效果，將周邊孔抵抗線設定為 400～800 mm。

1.5 微差時間

小抵抗線、高炸藥單耗下產生裂隙和巖石碎渣拋向空壁的時間很小，可以忽略不計。因此槽腔所需時間主要取決于槽腔內巖石碎渣軸向排棄時間，其計算公式如下[5]：

式中，H為爆破分段高度，石人溝鐵礦切割井平均高度為11 m；C為炸藥爆速，現場混裝炸藥實測爆速為4200 ms；M為待爆礦石重量；Q為炸藥量。另外，根據大多數礦山爆破成井的經驗，一般輔助孔與掏槽孔微差時間100 ms左右。

經計算掏槽形成需要87 ms；輔助孔爆破需要61.5 ms。目前石人溝鐵礦現有半秒延期塑料導爆管雷管段位完全滿足微差需求。

2 不同條件下切割井設計

2.1 一般條件下切割井設計

（1）孔網參數。根據上述孔網參數計算原理，設計該孔網參數如圖4所示。空孔呈菱形布置，空孔旁邊的裝藥孔與空孔的間距是200～250 mm，周邊孔距空孔的間距為750 mm，爆破范圍內兩端周邊孔間距為1900～2000 mm。

圖4 一般條件孔網參數圖

（2）起爆方式。該條件下切割井起爆方式如圖5所示。菱形布置的空孔中心的炮孔首先起爆，然后空孔兩端炮孔分別起爆形成爆破自由面和補償空間，最后周邊孔按段別起爆。

（3）成井效果。按照該參數設計起爆，成井規格與設計相差較小，孔壁較為光滑，形狀完整，成井效果良好。

圖5 一般條件起爆方式

2016年底開始，石人溝鐵礦改用此孔網參數，累計施工切割井58個，一次爆破成井44個，一次成井率76%。期間未考慮地質條件復雜及上分層有水的情況。

2.2 巖層復雜條件下切割井設計

（1）孔網參數。根據上述孔網參數計算原理，設計該孔網參數如圖7所示。在切割井中心布置2個裝藥孔，孔間距200 mm，圍繞中心裝藥孔按六邊形布置6個空孔，在六邊形邊角布置4個裝藥孔，與空孔間距200 mm。最后布置周邊孔，周邊孔與空孔間距701 mm。

圖6 巖層復雜條件下孔網參數圖

（2）起爆方式。該條件下切割井起爆方式如圖7所示。切割井中心2個裝藥孔首先起爆，然后六邊形空孔邊角的4個裝藥孔分別起爆，形成自由面和補償空間，最后周邊孔按段別分別起爆。

圖7 巖層復雜條件下起爆方式圖

（3）成井效果。按照該參數設計起爆，成井規格與設計相差較小，孔壁較為光滑，形狀完整，成井效果良好。

2017年下半年開始，石人溝鐵礦在復雜巖石條件下采用此設計，累計施工切割井 13個，一次爆破成井13個，成井率100%。

2.3 上分層巷道積水條件下切割井設計

（1）孔網參數。根據上述孔網參數計算原理，設計該孔網參數如圖8所示。在切割井中心布置1個裝藥孔，圍繞中心裝藥孔按六邊形布置6個空孔，裝藥孔與空孔間距為200 mm，然后布置兩排周邊孔，靠內部的周邊孔間距800 mm，呈正方形4個頂點布置，外圍周邊孔孔間距1000 mm，也呈正方形4個頂點布置。

圖8 上分層巷道積水條件下孔網參數圖

（2）起爆方式。該條件下切割井起爆方式如圖9所示。切割井中心1個裝藥孔首先起爆，然后六邊形空孔邊角的裝藥孔分別起爆，形成自由面和補償空間，最后周邊孔按段別分別起爆。

（3）成井效果。按照該參數設計起爆，成井規格與設計相差較小，孔壁較為光滑，形狀完整，成井效果良好。

2018年初，石人溝鐵礦在上分層有積水的條件下，為避免水流入切割井孔造成孔壁光滑，裝藥時現場混裝炸藥無法粘在孔壁的情況，采用此方案并在施工時進行防水設計，即將切割井炮孔縮短1 m，不與上分層地板穿透。截止目前，該切割井設計累計施工4個，一次爆破成井4個，成井率100%。

3 結 論

對石人溝鐵礦不同條件下切割天井爆破一次成井的孔網參數進行調整和優化，并通過一年多的現場試驗，確定了各不同條件的孔網參數。目前基本實現了不同條件下切割井一次爆破成井。切割井能夠一次爆破成井在降低設備故障率和提高穿孔效率的同時極大地保證了該礦正常生產。